DE19951503A1

DE19951503A1 - Medizinisches System mit einem Bildgebungs- und einem Navigationssystem

Info

Publication number: DE19951503A1
Application number: DE19951503A
Authority: DE
Inventors: Rainer Graumann
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1999-06-28
Filing date: 1999-10-26
Publication date: 2001-01-18
Anticipated expiration: 2019-10-27
Also published as: DE19951502A1; DE19951503B4

Abstract

Die Erfindung betrifft ein medizinisches System mit einem Bildgebungssystem (1) zur Gewinnung von Bildern vom Körper eines Patienten (P), mit einem Navigationssystem (14 bis 19) zur Bestimmung der Position eines medizinischen Instrumentes (20) relativ zum Körper des Patienten und mit Mitteln zur Einblendung eines Abbildes (21) des Instrumentes (20) in ein mit dem Bildgebungssystem (1) gewonnenes Bild zur Unterstützung operativer Eingriffe. Mit dem Bildgebungssystem werden während des operativen Eingriffes 3-D-Bilder gewonnen, in welche das Abbild (21) des Instrumentes (20) einblendbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein medizinisches System mit einem Bildgebungssystem zur Gewinnung von Bildern vom Körper eines Patienten, mit einem Navigationssystem zur Bestimmung der Po sition eines medizinischen Instrumentes relativ zum Körper des Patienten und mit Mitteln zur Einblendung eines Abbildes des Instrumentes in ein mit dem Bildgebungssystem gewonnenes Bild.

Der Einsatz eines derartigen medizinischen Systems ist in klinischen Applikationsfeldern, z. B. der Orthopädie oder der Traumatologie, zur Unterstützung operativer Eingriffe an ei nem Patienten vorgesehen, insbesondere wenn dem Chirurgen der Blick auf das patientenseitige Ende eines von ihm geführten, in den Körper des Patienten eingedrungenen medizinischen In strumentes verwehrt ist. Das Navigationssystem dient dabei zur präzisen Bestimmung der Ortskoordinaten, d. h. der Lage und Orientierung des Instrumentes im Raum bzw. an einem Ope rationssitus, dessen Abbild möglichst exakt in ein mit dem Bildgebungssystem gewonnenes Bild eingeblendet werden soll. Um die Einblendung des Abbildes des Instrumentes in das mit dem Bildgebungssystem gewonnene Bild mit hoher Genauigkeit durchführen zu können, so daß die im Bild gezeigte Lage und Orientierung des Instrumentes der tatsächlichen Lage und Ori entierung des Instrumentes am Operationssitus entspricht, ist es wünschenswert, daß das Bild die tatsächliche Lage und Form eines Körperteils des Patienten bzw. eines Organs im Körper des Patienten zeigt. Da die während der Operation für die Einblendung von Instrumenten vorgesehenen Bilder vom Körper eines Patienten in der Regel aber vor der Operation, bei spielsweise mit einem Computertomographen, gewonnen werden, ist die Übereinstimmung zwischen einer im Bild dargestellten Lage und Form eines Körperteils bzw. Organs und der tatsäch- lichen Lage und Form des Körperteils bzw. Organs bei der Ope ration die Ausnahme. Die auftretenden Unterschiede sind vor allem dadurch bedingt, daß entweder die Lage des Patienten bei der Operation auf einer Patientenliege nicht genau der Lage des Patienten bei der Bildaufnahme entspricht, oder daß beim Öffnen des Patienten, beispielsweise durch natürliche Bewegungen (z. B. Herzschlag, Atmung, Perestaltik) Deforma tionen von Körperteilen, Deformationen von Organen oder Ver änderungen von Organlagen auftreten. Die während der Operati on die reden Verhältnisse wiedergebende Einblendung des Ab bildes des Instrumentes in ein vom Körper des Patienten ge wonnenes Bild erweist sich daher als problematisch.

Eine Verbesserung der Navigation des Instrumentes ergibt sich, wenn während der Operation 2D-Projektionen vom Operati onssitus aufgenommen werden, welche zur Korrektur der präope rativ gewonnenen Bilder herangezogen werden.

Nachteilig bleibt jedoch, daß die Genauigkeit der Einblendung von Abbildern von Instrumenten relativ gering ist, der Chir urg also die genaue Lage des Instrumentes nur erahnen kann und somit die Navigation nur eine grobe Orientierung bei ope rativen Eingriffen darstellt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein medizinisches System der eingangs genannten Art derart auszubilden, daß die Einblendung des Abbildes eines Instrumentes in ein mit einem Bildgebungssystem gewonnenes Bild mit höherer Genauigkeit der tatsächlichen Lage und Orientierung des Instrumentes relativ zum Körper des Patienten entspricht.

Nach der Erfindung wird diese Aufgabe gelöst durch ein medi zinisches System mit einem Bildgebungssystem zur Gewinnung von Bildern vom Körper eines Patienten, mit einem Navigati onssystem zur Bestimmung der Position eines medizinischen In strumentes relativ zum Körper des Patienten und mit Mitteln zur Einblendung eines Abbildes des Instrumentes in ein mit dem Bildgebungssystem gewonnenes Bild zur Unterstützung ope rativer Eingriffe, wobei mit dem Bildgebungssystem 3D-Bilder während einer Operation gewonnen werden können, in welche das Abbild des Instrumentes einblendbar ist. Die mit dem Bildge bungssystem während eines operativen Eingriffs vom Körper des Patienten gewonnenen, zur Einblendung von Instrumenten vorge sehenen 3D-Bilder zeigen dabei die tatsächliche Lage und Form eines Körperteils oder Organs, wodurch die Voraussetzungen für eine exakte, der realen Lage und Orientierung des Instru mentes relativ zum Körper des Patienten entsprechenden Ein blendung des Abbildes des Instrumentes in eines der gewonne nen 3D-Bilder geschaffen werden. Die exakte Ermittlung der Lage und Orientierung des Instrumentes relativ zum Operati onssitus erfolgt mit Hilfe des Navigationssystems und die entsprechende Einblendung des Abbildes des Instrumentes in ein 3D-Bild mit Hilfe der Mittel zur Einblendung, welche in der Praxis beispielsweise einen Bildrechner umfassen. Eine derartige Einblendung des Abbildes des Instrumentes in ein die tatsächliche Lage und Form eines Körperteils oder Organs darstellendes 3D-Bild stellt somit aufgrund ihrer hohen Über einstimmung mit den real am Operationssitus vorherrschenden Verhältnissen für einen Chirurgen eine wirkungsvolle und zu verlässige Unterstützung bei operativen Eingriffen an Patien ten dar, insbesondere wenn dem Chirurgen der Blick auf das patientenseitige Ende des Instrumentes, beispielsweise weil das Instrument in Gewebe eingedrungen ist, verwehrt ist. Un ter der Einblendung eines Abbildes eines Instrumentes wird dabei nicht notwendigerweise eine originalgetreue Abbildung des Instrumentes verstanden. Vielmehr kann die Abbildung des Instrumentes nur schematisch sein, wobei zumindest die rele vanten äußeren Abmessungen des Instrumentes erkennbar sind. Als Navigationssystem zur Bestimmung der Lage und der Orien tierung eines Instrumentes sind magnetische oder optische Na vigationssysteme geeignet, wie sie beispielsweise von der Firma Radionics vertrieben werden.

Nach einer Variante der Erfindung umfaßt das Bildgebungssy stem ein C-Bogen-Röntgengerät, welches vorzugsweise verfahr bar ausgeführt ist. Auf diese Weise kann das C-Bogen-Rönt gengerät bei Bedarf einfach und schnell zum Zweck der Navi gation an einen Patienten herangefahren und falls nicht mehr erforderlich wieder entfernt werden, um Bewegungsraum für das OP-Team zu schaffen.

Eine besonders bevorzugte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, daß die Position des Bildgebungssystems, also dessen La ge und Orientierung, gleichzeitig mit der Position des in ein mit dem Bildgebungssystem gewonnenes Bild einzublendenden In strumentes erfaßbar ist. Gemäß einer Variante der Erfindung wird gleichzeitig auch die Position einer Patientenliege er faßt, auf welcher ein Patient während des operativen Ein griffs gelagert ist. Vorzugsweise erfolgt die Ermittlung der Positionen des Instrumentes, des Bildgebungssystems und der Patientenliege mit dem Navigationssystem. Auf diese Weise wird die Einblendung eines Abbildes eines Instrumentes in ein mit dem Bildgebungssystem gewonnenes Bild erleichtert, da nach einer anfangs notwendigen Registrierungsprozedur zur Be stimmung der Ausgangslage des im Bild darzustellenden Instru mentes relativ zum Operationssitus, die Registrierung des In strumentes bei Bewegungen des Instrumentes bzw. Verstellungen des Bildgebungssystems oder der Patientenliege nicht mehr wiederholt werden muß, sondern die Lage und Orientierung des Instrumentes aufgrund der gleichzeitigen Erfassung der Posi tionen des Instrumentes, des Bildgebungssystems und der Pati entenliege online berechnet und entsprechend eingeblendet werden kann. Mit dem medizinischen System sind also zur Un terstützung operativer Eingriffe mit Abbildern von Instrumen ten versehene 3D-Bilder online erzeugbar, welche Positions veränderungen des Instrumentes, des Bildgebungssystem und/oder der Patientenliege berücksichtigen. Die 3D-Bilder sind dabei auch kontinuierlich erzeugbar.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der beigefügten schematischen Zeichnung dargestellt, welche ein erfindungsge mäßen medizinischen Systems mit einem Bildgebungssystem und einem Navigationssystem zeigt.

Im Falle des vorliegenden Ausführungsbeispiels umfaßt das Bildgebungssystem ein C-Bogen-Röntgengerät 1 mit einem auf Rädern 2 verfahrbaren Gerätewagen 3. Das C-Bogen-Röntgengerät 1 weist eine in der FIG nur schematisch angedeutete Hubvor richtung 4 mit einer Säule 5 auf. An der Säule 5 ist ein Hal teteil 6 angeordnet, an dem eine Haltevorrichtung 7 zur Lage rung eines C-Bogens 8 angeordnet ist. Am C-Bogen 8 sind ein ander gegenüberliegend ein Röntgenstrahler 9 und ein Röntgen strahlenempfänger 10 angeordnet. Im Falle des vorliegenden Ausführungsbeispiels handelt es sich bei dem Röntgenstrah lenempfänger 10 um einen an sich bekannten Festkörperdetek tor. Der Röntgenstrahlenempfänger kann jedoch auch ein Rönt genbildverstärker sein, wobei der Festkörperdetektor gegen über dem Röntgenbildverstärker den Vorteil besitzt, daß er geometrisch verzerrungsfreie Röntgenbilder liefert. Die mit dem Festkörperdetektor gewonnenen Röntgenbilder können in an sich bekannter Weise auf einer Anzeigeeinrichtung 11 darge stellt werden.

Das in der FIG gezeigte C-Bogen-Röntgengerät 1 zeichnet sich dadurch aus, daß mit ihm 3D-Röntgenbilder vom Körper bzw. von Körperteilen eines auf einer vertikal und horizontal ver stellbaren Patientenliege 12 gelagerten Patienten P angefer tigt werden können. Zur 3D-Bildgebung ist ein im Falle des vorliegenden Ausführungsbeispiels im Gerätewagen 3 des C- Bogen-Röntgengerätes 1 angeordneter, in nicht dargestellter Weise mit dem Festkörperdetektor 10 und der Anzeigeeinheit 11 verbundener Bildrechner 13 vorhanden. Der Bildrechner 13 re konstruiert in an sich bekannter Weise aus 2D-Projektionen, welche bei einer Verstellung des C-Bogens 8, beispielsweise längs seines Umfanges, um ein in einem Bild darzustellendes Körperteil des Patienten P gewonnen werden, 3D-Bilder von dem darzustellenden Körperteil.

Mit Hilfe des Navigationssystems des medizinischen Systems können während der Operation des Patienten P von einem in der FIG nicht dargestellten Chirurgen verwendete Instrumente als Abbild in währendder Operation angefertigte 3D-Bilder vom Körper des Patienten P eingeblendet werden. Auf diese Weise erhält der Chirurg eine wirkungsvolle und zuverlässige Unter stützung bei dem operativen Eingriff. Dies ist vor allem dann von Vorteil, wenn dem Chirurgen beispielsweise beim Eindrin gen des Instrumentes in Körpergewebe des Patienten P der Blick auf das patientenseitige, in das Körpergewebe einge drungene Ende des Instrumentes verwehrt ist und keine Klar heit darüber besteht, wie weit das Instrument bereits in den Körper des Patienten eingedrungen bzw. wie die Lage des In struments relativ zu einem Organ des Patienten P ist. In ei nem solchen Fall kann der Chirurg anhand der Einblendung des Abbildes des Instrumentes in ein vom Körper bzw. einem Kör perteil des Patienten P gewonnenen 3D-Bildes die Lage und Orientierung des Instrumentes erkennen und das Instrument entsprechend navigieren. Um ein Instrument genau anhand der Bildinformationen navigieren zu können, sind exakte Bilder des realen Operationssitus erforderlich, welche erfindungsge mäß durch die Gewinnung von 3D-Bildern während der Operation erhalten werden.

Die Bestimmung der Lage und der Orientierung des Instruments relativ zu dem Operationssitus erfolgt im Falle des vorlie genden Ausführungsbeispiels mit einem optischen Navigations system. Das Navigationssystem umfaßt Kameras 14, 15 und Refe renzelemente 16 bis 18, welche an hinsichtlich ihrer Position zu erfassenden Instrumenten oder Objekten angeordnet sind und von den Kameras 14, 15 aufgenommen werden. Ein Rechner 19 des Navigationssystems wertet die mit den Kameras 14, 15 aufge nommenen Bilder aus und kann anhand der aufgenommenen Refe renzelemente 16 bis 18 die Positionen, d. h. die Lagen und Orientierungen der Referenzelemente 16 bis 18 und somit der Instrumente bzw. Objekte im Raum ermitteln.

Im Falle des vorliegenden Ausführungsbeispiels ist das Refe renzelement 16 an einem medizinischen Instrument 20, das Re ferenzelement 17 am C-Bogen-Röntgengerät 1 und das Referenze lement 18 an der Patientenliege 12 angeordnet. Auf diese Wei se kann der Rechner 19 anhand der gewonnenen Kamerabilder je weils die aktuellen Positionen des Instrumentes 20, des C- Bogen-Röntgengerätes 1 und der Patientenliege 12 ermitteln. Der Rechner 19, welcher in nicht dargestellter Weise mit dem Bildrechner 13 verbunden ist, stellt dem Bildrechner 13 je weils die Daten über die aktuellen Positionen des Instrumen tes 20, des C-Bogen-Röntgengerätes 1 und der Patientenliege 12 zur Verfügung, so daß der Bildrechner 13 jeweils die exak te Lage und Orientierung des Instrumentes 20 relativ zum Ope rationssitus ermitteln und das Abbild des Instrumentes 20 in ein mit dem C-Bogen-Röntgengerät 1 während der Operation ge wonnenes 3D-Bild einblenden kann. Zu Beginn der Einblendung des Abbildes des Instrumentes 20 ist in der Regel eine Regi strierungsprozedur erforderlich, bei der die Ausgangslage des Instrumentes 20 relativ zum Operationssitus sowie die Posi tionen des C-Bogen-Röntgengerätes 1 und der Patientenliege 12 erfaßt werden. Alle weiteren Bewegungen des Instrumentes 20, des C-Bogen-Röntgengerätes 1 und der Patientenliege 12 werden über die Kameras 14, 15 und den Rechner 19 gleichzeitig und kontinuierlich erfaßt. Anderungen der Positionen des Instru mentes 20, des C-Bogen-Röntgengerätes 1 oder der Patienten liege 12 stehen dem Bildrechner 13 somit quasi unmittelbar zur Verfügung, so daß dieser die Einblendung des Abbildes des Instrumentes 20 in ein mit dem C-Bogen-Röntgengerät 1 gewon nenes 3D-Bild der veränderten Situation entsprechend online anpassen kann. Auf diese Weise sind nicht nur statische, son dern auch kontinuierlich aufeinanderfolgende, mit der Ein blendung des Abbildes des Instrumentes 20 versehene 3D-Bilder erzeugbar.

In der Figur ist eine derartige Einblendung eines Abbildes 21 des Instrumentes 20 in ein 3D-Bild exemplarisch dargestellt.

Als Navigationssystem muß im Falle des vorliegenden Ausfüh rungsbeispiels nicht notwendigerweise ein optisches Navigati onssystem zum Einsatz kommen. Vielmehr sind in Abhängigkeit vom verwendeten Bildgebungssystem auch magnetische Navigati onssysteme zur Bestimmung der Positionen von Instrumenten, Bildgebungssystem und Patientenliege geeignet.

Die Positionen des Instrumentes, des Bildgebungssystems und der Patientenliege müssen im übrigen nicht gleichzeitig er faßt werden. Eine nahezu gleichzeitige Erfassung ist jedoch dann erforderlich, wenn nach Veränderungen der Positionen des Instrumentes, des Bildgebungssystems oder der Patientenliege das Abbild des Instrumentes online in gewonnen 3D-Bilder ein geblendet werden soll.

Die Ermittlung der Positionen des Bildgebungssystems und der Patientenliege muß nicht durch das Navigationssystem erfol gen. Vielmehr können die Positionen auch durch andere geeig nete Mittel zur Positionserfassung, welche beispielsweise auf Basis signaltragender Wellen arbeiten, ermittelt werden.

Claims

1. Medizinisches System mit einem Bildgebungssystem (1) zur Gewinnung von Bildern vom Körper eines Patienten (P), mit ei nem Navigationssystem (14 bis 19) zur Bestimmung der Position eines medizinisches Instrumentes (20) relativ zum Körper des Patienten (P) und mit Mitteln (13) zur Einblendung eines Ab bildes (21) des Instrumentes (20) in ein mit dem Bildgebungs system (1) gewonnenes Bild zur Unterstützung operativer Ein griffe, wobei mit dem Bildgebungssystem (1) 3D-Bilder während einer Operation gewonnen werden können, in welche das Abbild (21) des Instrumentes (20) einblendbar ist.

2. Medizinisches System nach Anspruch 1, bei dem das Bildge bungssystem ein C-Bogen-Röntgengerät (1) umfaßt.

3. Medizinisches System nach einem der Ansprüche 1 oder 2, bei dem die Position des Bildgebungssystems (1) gleichzeitig mit der Position des Instrumentes (20) erfaßbar ist.

4. Medizinisches System nach Anspruch 3, welches eine Patien tenliege (12) umfaßt, wobei die Position der Patientenliege (12) gleichzeitig mit den Positionen des Bildgebungssystems (1) und des Instrumentes (20) erfaßbar ist.